Particules virtuelles de matière et d’antimatière
LE VIDE
"L’éther est-il matériel ? De toute façon, s’il est il doit être matériel, il doit être intégré dans le concept de matière. Mais il n’a pas de pesanteur. » Friedrich Engels dans « Dialectique de la nature »
« Aujourd’hui le vide n’est pas le rien. Il serait même l’acteur central de l’histoire de la matière et de l’Univers, le partenaire privilégié de la physique. Vide et matière ne sont plus deux manifestations séparées de la nature mais deux aspects d’une même réalité. » Edgard Gunzig et Isabelle Stengers dans « Le vide »
L’astrophysicien Cassé écrit dans « Du vide et de la création » : « Au centre de la nuée du virtuel est encore un virtuel, d’ordre plus élevé. Et ces électrons et positons doublement virtuels s’entourent eux-mêmes de leur propre nuage de corpuscules virtuels, et cela ad infinitum. (…) L’image quantique qui en résulte est un électron (…) protégé par des rangs successifs de photons virtuels (…) L’électron n’est plus l’être simple qu’il était. (…) Il s’habille de vide fluctuant. De même, chaque proton est dépeint comme un microcosme concentrique où s’étagent les différents niveaux de virtualité. Au centre est la particule réelle, sa garde rapprochée est constituée par des particules et antiparticules les plus massives (énergétiques) et donc les plus éphémères, bosons W et Z, paires proton-antiproton et photons gamma. Le second cercle contient les couples positon-électron et les photons de 1 MeV environ. A la périphérie flottent les photons d’énergie déclinante. Chaque particule virtuelle, comme précédemment, s’entoure de son cosmos virtuel et chacune à son tour fait de même et cela indéfiniment. Le vide est constitué d’un nuage virtuel flottant de manière aléatoire. L’activité frénétique autour du moindre électron, du moindre proton, nous éloigne à jamais de l’image paisible que la plupart des philosophes attribuent au mot « vide ».
Il n’y a pas si longtemps, un scientifique aurait défini le vide par l’absence de matière, et la matière comme des objets remplissant le vide d’un contenu solide. La masse pesante apparaissait comme la caractéristique de la matière et l’absence de masse la caractéristique de la lumière. Aujourd’hui, on observe qu’il existe de la « lumière » lourde (les bosons W et Z) et de la matière sans masse (les neutrinos par exemple). On pense que la matière est un état du vide et que le vide est plein de … matière virtuelle. Matière et vide s’opposent mais de façon dynamique et non dans une opposition logique. Ils se détruisent et se construisent mutuellement sans cesse selon un mode dynamique étonnant. La forme de la structure et sa base matérielle ont également une relation contradictoire au sens dialectique.
En physique, le vide est un concept qui recèle des propriétés tout à fait surprenantes et néanmoins fondamentales. Ce n’est pas le néant (l’absence de tout). La physique moderne nous indique d’ailleurs qu’il est tout à fait pertinent de discuter de l’énergie du vide. Ce n’est pas non plus un éther, un milieu matériel au sens de la matière à notre échelle ni des particules comme l’électron, suivant les époques, mouvant ou fixe et indépendant de tout référentiel, imaginé, par exemple, comme support des ondes électromagnétiques. Il a été prouvé que ce dernier n’existe pas (par Michelson et Morley), on en a donc abandonné l’idée. On peut dans une première approche dire que le vide est un espace dans lequel les molécules sont fortement raréfiées. Ainsi, pour « faire le vide », on prend une enceinte étanche et on pompe l’air avec une pompe à vide ; on définit la qualité du vide par la pression d’air résiduelle, exprimée en pascal (Pa, unité du système international), ou plus souvent dans le milieu industriel en millibar (mbar) ou torr (mm de mercure). On ne peut atteindre ainsi qu’un vide partiel, quelle que soit la température. Un vide considéré comme très poussé, « ultravide », correspond à une pression de l’ordre de 10-8 Pa ; on y dénombre encore 2 millions de molécules par centimètre cube[1]. Par comparaison, la densité au sein des gaz interstellaire est de l’ordre de 1 atome par centimètre cube. Mais qui dit absence de matière ne dit pas absence d’événement. Ainsi, les ondes électromagnétiques traversent le vide, et c’est le milieu qui s’oppose le moins à leur avancement (la vitesse de la lumière dont on parle usuellement, limite à toute transmission d’information, est celle dans le vide) ; il y a dans le vide des variations du champ électrique et du champ magnétique, mais ces champs ne nécessitent aucun support matériel. Le vide total nécessite donc l’absence à la fois de matière mais aussi de rayonnement.
Le vide absolu défini ci-dessus est donc un milieu statistiquement sans particules élémentaires. La physique quantique, qui définit le vide comme l’état d’énergie minimale de la théorie, montre qu’il reste néanmoins le siège de matérialisations spontanées et fugaces de particules et de leur antiparticules associées, on parle de particules virtuelles, qui s’annihilent presque immédiatement après leur création. Ces fluctuations quantiques sont une conséquence directe du principe d’incertitude qui affirme qu’il n’est jamais possible de connaître avec une certitude absolue la valeur précise de l’énergie. On appelle ce phénomène les fluctuations quantiques du vide.
Einstein consacre l’annexe 5 de son livre Relativité - Théories spéciale et générale (Relativity - The Special and the General Theory, traduction de Robert Lawson, 1961) à la relativité et [au] problème de l’espace. Il y cite Descartes et Kant et donne raison au premier contre le second, en niant l’existence du vide, c’est-à-dire, précise-t-il, l’existence d’un espace vide de champ. Il note dans sa préface à la 9e édition du livre : « les objets physiques ne sont pas dans l’espace, mais ces objets ont une étendue spatiale. De la sorte, le concept d’ « espace vide » perd son sens. »
La pression du vide
Une des propriétés les plus curieuses du vide quantique est mise en évidence par l’effet Casimir : lorsque le vide est réalisé entre deux plaques conductrices, et en l’absence de toute contrainte mécanique externe, une pression est exercée sur les plaques dont la valeur dépend de la géométrie particulière du système. Cet effet est expliqué dans le cadre de la théorie quantique des champs qui affirme que la notion de vide dépend de la géométrie. Ainsi le vide enfermé entre les deux plaques conductrices possède une densité d’énergie différente du vide extérieur à l’enceinte. Cette différence de densité d’énergie a pour conséquence directe l’apparition d’une force mécanique exercée sur l’interface séparant les deux milieux. Propriétés physiques du vide Perméabilité magnétique du vide μ0 ≡ 4π×10-7 kg•m/A²s² (ou H/m) Conductance du vide = 1/119,916 983 2•π S ≈ 2,654 418 729 438 07×10-3 A²s³/kg•m² ≡ 1/μ0c permittivité du vide ε0 = 1/35 950 207 149•π F/m ≈ 8,854 187 817 620 39×10-12 A²s⁴/kg•m³ ≡ 1/μ0c² Impédance caractéristique du vide Z0 = 119,916 983 2•π Ω ≈ 376,730 313 461 770 68 kg•m²/A²s³ ≡ μ0c
Le vide est constitué de particules fugitives, éphémères qui, en interagissant, donnent naissance à l’univers matière-lumière.
C’EST LE VIDE QUI PRODUIT L’ÉMERGENCE DE LA MATIÈRE
Le physicien Léon Léderman : « Si l’électron est un point, où se trouve la masse, où se trouve la charge ? Comment savons-nous que l’électron est un point ? Peut-on me rembourser ? »
L’électron n’a pas une position fixe : sa charge tremble, sa masse saute d’un point à un autre, son nuage de polarisation interagit avec le voisinage.... Cela définit diverses "dimensions" de l’électron. S’il est capté, il est ponctuel. Sa masse est ponctuelle. Sa charge est ponctuelle. S’il interagit, il est considéré par l’autre objet comme une zone de dimension non nulle. les divers es dimensions ont entre elles un rapport égal à la constante de structure fine alpha. Voilà les résultats de la physique quantique sur la "particule élémentaire".
Qu’est-ce que l’atome, l’élémentaire, l’ « insécable » ? Un nuage de points à de nombreuses échelles ! Ces points sont les particules électrisées, dites virtuelles, qui composent le vide. La propriété de masse de l’électron saute d’une particule virtuelle du nuage à une autre.
La lumière est constituée par deux (ou un nombre pair) particules virtuelles d’électricité opposées.
Le vide, avec ses divers niveaux hiérarchiques, est donc le constituant de base de l’univers matière/lumière.
Le caractère probabiliste de l’électron provient du fait qu’il n’est pas un seul objet mais un ensemble de niveaux emboîtés fondés sur l’agitation du vide.
La propriété de dualité de la particule élémentaire (se comportant à la fois comme un corpuscule et comme une onde) a été l’une des interrogations les plus difficiles de la physique quantique. L’onde et le corpuscule sont deux descriptions très opposées de la réalité et pourtant la matière comme la lumière se sont révélés être à la fois corpusculaires et ondulatoires. A la fois ne signifie pas que l’on peut effectuer en même temps une expérience qui donne les deux résultats. Par contre, dès que l’on effectue une expérience donnant un résultat du type onde, on obtient une onde. Et, à chaque fois que l’on effectue une expérience du type corpuscule, on obtient un corpuscule. De là a découlé une interprétation selon laquelle c’était l’observation par l’homme qui décidait de la nature du réel… En fait, la dualité provient du caractère fractal de la particule. Celle-ci existe à plusieurs échelles. Si l’on mesure à une échelle, on obtient un résultat à cette échelle. On perd, du coup, le résultat trouvé à une autre échelle. Si l’expérience effectue une mesure sur le nuage de polarisation, on obtient un résultat ondulatoire. Si on interagit avec le point matériel, on obtient un résultat corpusculaire qui prouve que l’électron est bien ponctuel et est bien un seul être. Mais cet être existe simultanément aux différents niveaux. Par contre, dès que le corpuscule est capté, dans un temps extrêmement court, le nuage disparaît. En effet, au niveau où se situent les particules virtuelles, la limite de vitesse de la lumière n’a plus cours. C’est la « réduction du paquet d’ondes » qui a tellement compliqué la vie des physiciens quantiques. On peut interpréter ainsi l’ensemble des propriétés, souvent apparemment étranges, de la particule dite élémentaire, l’électron. Les physiciens avaient, depuis longtemps, remarqué qu’il y avait un problème pour en comprendre la nature. Comme le relève Abraham Pais dans « Subtle is the lord », probablement la meilleure biographie d’Einstein, « Tout ce qui reste de ceci (des travaux de Abraham, Lorentz, Poincaré, Einstein,… sur l’auto-énergie de électron), c’est que nous ne comprenons toujours pas ce problème. » Certains physiciens théorisent même l’impossibilité de se le représenter Margenau (1961) : « Les électrons ne sont ni des particules, ni des ondes (…) Un électron est une abstraction, qui ne peut plus être décrite par une image intuitive correspondant à notre espérance de tous les jours mais déterminé au travers de formules mathématiques. » Mais, comme Einstein le disait à Wheeler : « Si je ne peux pas l’imaginer, je ne peux pas le comprendre. » Et Einstein affirmait : « Vous savez, il serait suffisant de réellement comprendre l’électron. » En 1991, la conférence internationale sur l’électron de Antigonish écrivait encore : « Nous sommes réunis ici pour discuter de nos connaissances actuelles sur l’électron. (…) Il est étrange de constater quelle masse énorme de technologie est fondée sur l’électron sans que nous soyons capable de comprendre cette particule. » Ce pessimisme des physiciens devant les contradictions de l’électron a un fondement réel : il est impossible de donner une seule image cohérente de son fonctionnement si on considère que l’électron est un seul objet à une seule échelle.
Ces remarques provenaient en effet de nombreuses difficultés théoriques pour interpréter les phénomènes observés. L’interprétation qui en est donnée ici est celle du caractère fractal de l’électron. Elle explique notamment les sauts quantiques de la particule et de l’atome. Il y a un saut à chaque interaction entre niveaux de réalité de la particule. Le saut d’échelle explique le saut du phénomène. Par exemple, l’électron ne suit pas une trajectoire, mais saute d’une position à une autre. Cette discontinuité provient du fait que l’électron ne se déplace pas dans un espace continu, mais interagit avec les particules virtuelles du vide. Le « simple » déplacement est déjà le produit de ce caractère fractal. Il en va de même sur les interaction entre particules de matière, entre matière et lumière, et, plus généralement, entre matière et vide. Quant au caractère probabiliste de la particule, si étrange que son découvreur Einstein n’arrivait à l’accepter, il n’existerait pas si on était capable d’étudier simultanément la réalité à toutes les échelles. On a beaucoup disserté sur l’ « incertitude » inhérente à la physique quantique, limite prétendue des capacités de l’homme de connaître le monde ou même, disent certains, preuve que le réalisme matérialiste devrait être abandonné. En fait, c’est bien le caractère fractal du réel qui cause cette indétermination quand on mesure à une échelle. Ce que les physiciens ont remarqué, c’est qu’en mesurant ou raisonnant à une échelle, on ne doit pas chercher à dépasser une certaine précision. Sinon on n’améliore pas notre image, on la détériore mais ils se demandaient pourquoi. On a dit bien souvent que c’était contraire à notre expérience quotidienne et au bon sens. Je ne le crois pas. Quand on lit un texte, on se rapproche un peu pour lire correctement, mais si on se rapproche trop, on voit moins bien. Il y a une échelle favorable pour lire et on ne peut pas lire à la fois à toutes les échelles. De même, on ne peut pas avoir une carte à l’échelle qui permette à la fois d’indiquer plusieurs villes éloignées et les rues de ces villes. Il faut choisir. Est-ce que cela signifie que la carte choisit ce que sera la réalité ? Non, cela signifie seulement que la réalité existe à plusieurs échelles suffisamment différentes pour ne pas pouvoir être examinées simultanément. Le nuage de polarisation qui entoure l’électron est constitué d’éléments d’un monde inférieur qui est le monde des particules virtuelles caractérisées par deux propriétés liées entre elles : pas de masse et pas d’espace-temps tel que nous le connaissons à notre échelle macroscopique ni tel qu’il existe (localement) dans l’environnement d’une masse. Ces particules sont électrisées positivement ou négativement et s’ordonnent dynamiquement autour de l’électron par couches positives et négatives alternativement, écrantant ainsi le champ de la charge électrique à proximité de l’électron. Cela explique qu’aucune charge électrique ne peut s’approcher au point de toucher l’électron. Il y a toujours des couches de particules virtuelles entre deux particules « réelles ». Rappelons une fois de plus que les particules dites virtuelles sont tout aussi réelles que celles dites réelles mais sont situées à un autre niveau de réalité. Elles ne sont pas les seules puisqu’existent à un niveau encore inférieur le « virtuel de virtuel ». Ainsi deux particules virtuelles sont elles-mêmes entourées, à un niveau hiérarchique inférieur, de particules électrisées. Ces mondes ne sont pas seulement emboités. Les niveaux sont interactifs. Et même plus puisque chaque niveau émerge du niveau inférieur. Les particules « réelles » sont des structures portées par des particules virtuelles qui reçoivent un boson de Higgs. Lorsque la particule virtuelle devient porteuse de masse, elle construit autour d’elle un champ d’espace-temps, elle structure l’espace-temps désordonné du niveau virtuel. Le nuage de polarisation tourne du fait du magnétisme par l’action du mouvement de l’électron. C’est ce que l’on appelle le spin de l’électron. Mais les couches positives et négatives ne tournent pas de la même manière car l’électron est chargé négativement. Cela explique qu’il faille de tour pour revenir à la situation de départ, ce que l’on appelle un spin ½. La charge de l’électron est ponctuelle. Sa masse est ponctuelle. Pourtant, les expériences montrent également qu’elles ne sont jamais exactement au même endroit, d’où des propriétés de rotations internes de la structure électron. Cette différence provient du fait que le saut de l’électron ne produit pas la même réaction aux diverses échelles d’espace-temps. La masse bouge plus lentement que les bosons. Elle met plus de temps pour se déplacer. Elle va donc moins loin. Cela produit plusieurs mouvements différents. Le nuage de positions de la charge est beaucoup plus ample que celui de la masse : le rapport appelé « constante de structure fine » est le rapport d’échelle des différents mondes hiérarchiques emboîtés est donc aussi le rapport entre les temps ou les distances. C’est donc aussi le rapport entre les différents « rayons de l’électron ». Alors que la masse tremblote autour de sa position (propriété appelée « zitterbezegung »), la charge s’étend sur toute une zone.
L’une des bizarreries de la physique de l’électron est quantique : c’est la superposition d’états. Deux particules qui interagissent mettent en commun leurs états. Cela n’aurait aucun sens si on gardait l’image de la particule, objet indépendant. La « superposition d’états » ne peut être interprétée comme une onde physique, ce qui fait que les premiers physiciens quantiques ont parlé seulement d’ « onde de probabilité de présence ». Mais quelle est la réalité physique du phénomène menant à cette probabilité de présence. Comment l’électron « sait-il » qu’il doit prendre telle ou telle position au sein de son nuage de probabilité de présence. La physique quantique a longtemps répondu qu’il n’existait pas de réponse et certains s’aventuraient même à dire qu’il n’y en aurait jamais. C’était logique pour la physique quantique : au sein de son formalisme la question ne pouvait pas être posée. Cependant, l’étude du vide a changé les données du problème. Elle nous a appris l’existence de tout un milieu du vide, milieu agité et plein d’énergie : les quanta positifs et négatifs qui apparaissent et disparaissent dans un temps très court. Les « particules virtuelles » ont d’abord servi de base de calcul avant que leur réalité soit reconnue. On admet aujourd’hui l’existence de plusieurs niveaux du vide. Il y a ainsi un virtuel de virtuel. Les particules n’interagissent pas à distance mais au travers du vide. Cependant, le vide quantique est un milieu aux propriétés très différentes de celles que nous connaissons au niveau de la matière que nous connaissons. Tout d’abord, il y a autant d’antiparticules que de particules. Ensuite, l’espace et le temps s’agitent en tout sens, sautent sans cesse, empêchant toute notion de trajectoire, de force. Les particules virtuelles n’ont pas de masse. L’énergie, le moment sont des notions qui ont cours mais elles sont utilisées différemment. Il n’y a pas conservation de l’énergie à tout instant. Dans la matière à notre échelle, de l’énergie ne peut pas brutalement apparaître là où elle n’existait pas. Au sein du vide quantique, l’énergie se conserve seulement globalement. Toute énergie qui apparaît au sein du vide doit disparaître dans un temps court, d’autant plus court que cette énergie est importante. C’est ce qui met en place la notion de quanta : le produit d’un temps et d’une énergie. Il y a un lien entre le vide et la matière/lumière. Le vide n’est pas seulement le media des interactions matière-matière ou matière-lumière, il est le fondement de la matière et de la lumière. C’est le vide qui produit sans cesse les phénomènes « matière » et « lumière ». Le vide n’est pas seulement l’espace sur lequel photons et particules se déplacent. Ce déplacement n’est rien d’autre qu’une interaction avec le vide. Plus encore, le vide est le constituant de la matière et de la lumière. Il en résulte une compréhension nouvelle de la matière et de la lumière. Les particules et les photons ont en commun … le vide qui les compose ! Les particules n’interagissent pas par des collisions mécaniques mais par des interaction entre les éléments à un échelon inférieur : celui du vide. Du coup, des particules peuvent échanger leurs composants virtuels : interagir. Ils peuvent ainsi constituer des superpositions d’états, des états corrélés.
Henri Poincaré écrit dans « Leçons sur le rayonnement thermique » : « L’hypothèse des quanta d’action consiste à supposer que ces domaines, tous égaux entre eux ne sont plus infiniment petits, mais finis et égaux à h, h étant une constante. »
Théorème de Joseph Liouville, rapporté par Jean-Paul Auffray dans « L’atome » : « La densité de points dans le voisinage d’un point donné dans l’extension de phase est constante dans le temps. »
Enoncé de Poincaré, dans « l’hypothèse des quanta » :
« L’énergie est égale au produit de la fréquence par l’élément d’action. (...) Le quantum d’action est une constante universelle, un véritable atome. (...) Un système physique n’est susceptible que d’un nombre fini d’états distincts ; et il saute d’un de ces états à l’autre sans passer par une série continue d’états intermédiaires. (...) l’ensemble des points représentatifs de l’état du système est une région (...) dans laquelle les points sont si serrés qu’ils nous donnent l’illusion de la continuité. (...) ces points représentatifs isolés ne doivent pas être distribués dans l’espace de façon quelconque (...) mais de telle sorte que le volume d’une portion quelconque de matière demeure constant. (...) L’état de la matière pondérable pourrait varier d’une manière discontinue, avec un nombre fini d’états possibles seulement. (...) L’univers sauterait donc brusquement d’un état à l’autre ; mais dans l’intervalle, il demeurerait immobile, les divers instants pendant lesquels il resterait dans le même état ne pourraient plus être discernés l’un de l’autre : nous arriverions ainsi à la variation discontinue du temps, à l’atome de temps. (...) Si plusieurs points représentatifs constituent un domaine élémentaire insécable dans l’extension en phase, alors les états du système que ces points représentent constituent nécessairement, eux aussi, un seul et même état. »
Jean-Paul Auffray dans « L’atome » : « Richard Feynman demandait à son fils : « Lorsqu’un atome fait une transition d’un état à un autre, il émet un photon. D’où vient le photon ? » (…) Dans la terminologie de Feynman, le quantum est un photon virtuel. »
Relativité des mouvements dans le vide
Qu’est-ce qui différencie la matière et le vide ?
Ce qui caractérise la matière, c’est son existence durable. Ce qui caractérise le vide, c’est l’existence brève de ses quantons qui sont dits virtuels mais, rappelons-le, qui sont bel et bien réels. Ils sont seulement éphémères car ils s’accouplent très rapidement même si c’est en un temps aléatoire. Quand ils s’accouplent ils forment un photon. Qu’est-ce qui rend la particule de matière un peu plus « durable » ? C’est une particule virtuelle qui a reçu un boson de Higgs. Quelle hypothèse peut permettre de comprendre ce qui rend une telle particule un peu plus durable, c’est-à-dire qui retarde son accouplement avec un quanton virtuel du vide voisin ? Le fait que la matière constitue une espèce de trou au sein du vide quantique et retarde ainsi les accouplements possibles. D’où pourrait provenir ce « trou », cet isolement de la particule de matière, dite « particule réelle », par rapport aux particules du vide qui sont ses voisines, dites particules virtuelles ? La particule qui aurait reçu un boson de Higgs émettrait une onde de matière, dite onde de Broglie, qui repousserait les quantons virtuels voisins. Ce faisant, il y aurait modification du temps désordonné du vide. Le temps du vide est marqué par la durée moyenne d’accouplement des quantons virtuels. Ce temps serait modifié par la présence de la particule de masse (particule ayant reçu un boson de Higgs) du fait de l’écartement des particules virtuelles voisines. Le temps local tel que nous le connaissons (et non pas tel qu’il existe dans le vide quantique) serait dû à un retardement des interactions avec les quantons virtuels de l’environnement vide. Si une particule se trouve elle-même non dans un environnement vide mais dans un environnement de particules, une moyenne d’interactions avec les quantons virtuels va s’établir, menant à un temps moyen ou temps local. Le déplacement moyen d’une particule durant ce temps va également définir un espace. La matière durable (dite réelle) va ainsi définir un espace et un temps.
Atome : rétroaction de la matière/lumière et du vide (de la microphysique à l’astrophysique)
* 01- Les contradictions des quanta
* 02- La matière, émergence de structure au sein du vide
* 03- Matière et lumière dans le vide
* 05- Le vide destructeur/constructeur de la matière
* 06- La matière/lumière/vide : dialectique du positif et du négatif
* 07- La construction de l’espace-temps par la matière/lumière
* 08- Lumière et matière, des lois issues du vide
* 09- Matière noire, énergie noire : le chaînon manquant ?
* 10- Les bulles de vide et la matière
* 11- Où en est l’unification quantique/relativité
* 13- Qu’est-ce que la rupture spontanée de symétrie ?
* 14- De l’astrophysique à la microphysique, ou la rétroaction d’échelle
* 15- Qu’est-ce que la gravitation ?
* 16- Big Bang ou pas Big Bang ?
* 17- Qu’est-ce que la relativité d’Einstein ?
* 19- Qu’est-ce que l’antimatière ?
* 21- Qu’est-ce que le spin d’une particule ?
* 22- Qu’est-ce que l’irréversibilité ?
* 23- Qu’est-ce que la dualité onde-corpuscule
* 26- Le quanta ou la mort programmée du continu en physique
* 26- La discontinuité de la lumière
* 27- Qu’est-ce que la vitesse de la lumière c et est-elle indépassable ?
* 28- Les discontinuités révolutionnaires de la matière
* 30- Qu’est-ce qu’un système dynamique ?
* 31- Qu’est-ce qu’une transition de phase ?
* 32- Quelques notions de physique moderne
* 33- Qu’est-ce que le temps ?
* 34- Henri Poincaré et le temps
* 35- La physique de l’état granulaire
* 36- Aujourd’hui, qu’est-ce que la matière ?
* 37- Qu’est-ce que la rupture de symétrie (ou brisure spontanée de symétrie) ?
* 38- Des structures émergentes au lieu d’objets fixes
* 39- Conclusions provisoires sur la structure de la matière
« Il y a de nombreux états du vide qui seraient difficilement interprétables en concevant l’espace comme « vide ». Un champ quantique a toujours une énergie de base résiduelle non nulle (…) activité résiduelle qui se maintient en l’absence d’excitations du vide sous formes de quanta, activité qui se manifeste dans les expériences. Si nous considérons le champ électromagnétique, par exemple, alors les fluctuations de celui-ci peuvent être interprétées comme des créations et annihilations spontanées de photons virtuels, ou de couples virtuels de particule/antiparticule (polarisation du vide). Quand le champ électromagnétique est en interaction, disons avec un électron (ou avec toute particule ou champ), la polarisation du vide peut produire des changements observables, comme ceux de la structure hyperfine de l’hydrogène (dédoublement des raies appelé effet Lamb shift). Dans la physique des particules, la notion d’état du vide joue un rôle croissant. Il y a plusieurs états du vide, avec notamment les notions de « faux vide », d’effet tunnel d’un état du vide à un autre (Coleman, 1977), d’états particuliers du vide (Emch, 1972), etc. (…) Mon opinion est que ces états du vide qui sont des niveaux de base se fondent sur une sorte de structure de niveau inférieur qui joue un rôle dans la structure inertielle de l’espace-temps (…) Ce qui apparaît du vide pour un observateur peut apparaître comme de la matière pour un observateur accéléré. »
B. J. Hiley dans « La philosophie du vide » (ouvrage collectif dirigé par Saunders et Brown)
« Aujourd’hui, le vide est reconnu comme un milieu physique riche, sujet de transitions de phase, et dont la symétrie brisée par les fluctuations du vide qui ne s’éteignent pas sont à la base des propriétés de magnétisme qui sous-tendent l’émission, la propagation et l’absorption des particules. »
David Finkelstein dans « La philosophie du vide » (ouvrage collectif dirigé par Saunders et Brown)
« Les particules ne sont pas des objets identifiables. (...) Elles pourraient être considérées comme des événements de nature explosive (...) On ne peut pas arriver – ni dans le cas de la lumière ni dans celui des rayons cathodiques - à comprendre ces phénomènes au moyen du concept de corpuscule isolé, individuel doué d’une existence permanente. (...) La meilleure connaissance possible d’un ensemble n’inclut pas nécessairement la meilleure connaissance possible de chacune de ses parties. (...) Selon la vieille conception leur individualité (des particules et des atomes) était basée sur l’identité des matériaux dont elles sont faites. (...) Dans la nouvelle conception, ce qui est permanent dans ces particules élémentaire sous ces petits agrégats, c’est leur forme ou leur organisation. »
Erwin Schrödinger dans « Physique quantique et représentation du monde »
« On ne compte pas les électrons ou les photons comme on compte les objets que nous rencontrons autour de nous. »]
Georges Lochak, Simon Diner et Daniel Farge dans « L’objet quantique »
« L’espace vide, quel qu’il soit, contrôle la dynamique des corps matériels, car, quand on considère l’électromagnétisme, il semble que la matière, et les relations fonctionnelles entre particules de matière, ne sont pas capables d’accomplir seuls le travail. Bien sûr, l’espace lui-même pourrait être conçu comme un principe d’organisation appliqué à la matière. (...) Le vide, tel qu’il apparaît ainsi, est riche : suivant les cas, un bipole ferromagnétique, un milieu diélectrique, un supraconducteur, et une phase thermodynamique. »
S. Saunders dans « The philosophy of vacuum »
« Nos théories physiques nous apprennent qu’il y a quelque chose d’étrange et de contre-intuitif dans la nature de la matière. Nous ne pouvons pas tirer un trait net de séparation entre ce que nous appelons matière ou substance et ce que nous appelons espace vide – le vide étant supposé l’espace entièrement dépourvu de matière de toute sorte. »
R.Penrose dans « The philosophy of vaccum »
“Un électron, qu’il soit libre ou lié, est toujours le sujet de forces stochastiques produites par les fluctuations du vide dans le champ électromagnétique, et il en résulte qu’il exécute un mouvement brownien. (…) le fameux Lambshift entre les énergies des électrons s et p de l’atome d’hydrogène. Welton (1948) montra que le shift provenait d’effets induits par le mouvement brownien. (…) Si un atome est dans un état excité, on peut s’attendre à ce qu’il subisse une transition vers un état fondamental, en émettant en même temps un ou plusieurs quanta de radiation. (…) L’atome qui est à son état fondamental y est maintenu en émettant et recevant continuellement des radiations d’énergie de la part des fluctuations du champ électromagnétique du vide (…) De ce point de vue, l’atome d’hydrogène a un état stable de base qui fait que l’électron ne tombe pas sur le proton seulement parce qu’il pompe de l’énergie du champ électromagnétique du vide. (…) Nous devrions considérer le Lamb Shift et la chute spontanée de l’atome vers son état de base comme une manifestation des fluctuations du vide. »
D. W. Sciama dans « The philosophy of vaccum »
« Si un électron entre et sort d’une boite (une zone par exemple) (...), on ne peut pas dire que c’est le même électron qui entre et qui sort. (...) La masse est longtemps apparue comme une propriété fondamentale. N’est-il pas surprenant de la voir maintenant apparaître comme une propriété purement dynamique, liée aux propriétés du vide et à la façon dont elles affectent les particules qui s’y trouvent ? (...) Cette nouvelle conception de la masse est une révolution importante. Ce qui apparaissait comme une propriété intrinsèque et immuable se voit relégué au rang d’effet dynamique dépendant des interactions et, avant tout, de la structure du vide. »
Maurice Jacob dans « Au cœur de la matière »
Petite chronologie des conceptions du vide en relation avec la matière et la lumière (terme englobant tout l’électromagnétisme)
1ère étape : Parménide, Zénon, Démocrite, Aristote
Pour Parménide, « si le vide est le rien, il ne peut exister » donc, si le vide existe, il doit être plein. Le mouvement d’un objet identique à lui-même au sein d’un vide inchangé est dès lors impossible. Zénon argumente sur ces questions, en abordant le problème de la divisibilité à l’infini, de la discontinuité, du temps, de l’espace et de la matière. Il montre que le mouvement n’est pas possible si on admet cette divisibilité du temps, de l’espace ou de la matière à l’infini. Démocrite invente l’idée de l’atome. Celle-ci suppose non seulement l’indivisibilité de particules fondamentales mais aussi leur séparation par le vide. Pour Aristote, partisan d’une nature équivalent à l’ordre, à l’opposé des philosophes précédents qui défendent une philosophie du changement, le vide est le lieu où la matière peut passer ou ne pas passer : c’est le contenant et la matière est le contenu. Aristote : « La nature a horreur du vide. » L’horreur du vide est à l’oeuvre encore quand un vase fermé rempli d’eau se brise quand il gèle : en effet, l’eau se contracte à cause du gel. L’existence du vide est farouchement niée par Aristote, dont le système grandiose fut accueilli avec enthousiasme aussi bien par les savants arabes que par les universitaires d’Occident aux XIIème et XIIIème siècles. La force de séduction de la pensée d’Aristote réside dans sa merveilleuse cohérence : il articule sa conception d’un univers plein, sphérique, fini et immobile sur sa théorie du mouvement des corps et sur sa théorie des causes elle-même. Que l’on tente de modifier l’un des éléments du système, et l’absurdité éclate de toutes parts. Ainsi, admettez le vide, et le monde pourra s’étendre à l’infini ; il ne sera plus sphérique, ni immobile ; il n’y aura plus de haut ni de bas ; vous abolirez la différence entre repos et mouvement, celui-ci pourra être infiniment rapide, et vous devrez même admettre le mouvement sans cause.
2ème étape : Descartes, Hegel
Descartes affirme que le vide est impossible. Il affirme ainsi que deux corps ne peuvent être séparés par une distance sans qu’il n’y ait rien entre eux. En somme, s’il n’y a rien entre les deux, ils devraient être en contact. La seule manière qu’existe une distance entre des objets pour Descartes est qu’il y ait d’autres objets dans l’espace et que ces objets définissent une extension. Allant jusqu’au bout de son idée qu’il ne peut pas y avoir d’espace sans matière, il en conclue que matière et espace vide sont de même nature et que, entre eux, seuls changent les propriétés géométriques de cet espace. L’espace est divisé en régions, certaines de matière et d’autres de vide avec possibilité de déplacement des unes par rapport aux autres. L’espace de matière est identique, pour Descartes, à l’espace de vide. Hegel distingue l’actualité de la matière de sa réalité. Pour Hegel, pas d’énergie sans une forme ou une autre de matière : la matière et le vide ne s’opposent pas diamétralement mais s’interpénètrent et tous deux ne sont pas seulement réels par leur actualité mais aussi par leurs potentialités. Il y a unité de la matière et du vide, de la matière et du mouvement, de l’attraction et de la répulsion, du positif et du négatif. Hegel critique la représentation purement abstraite de la matière, notamment celle des mathématiques. Pour lui, la matière ne se ramène jamais au nombre. Hegel affirme que le mouvement est contradictoire, ce qui ne veut pas dire qu’il n’existe pas. Si un objet entre en mouvement à l’instant t, cela signifie qu’à cet instant il est à la fois là et ailleurs, à vitesse v et à vitesse nulle, donc contradictoire, possédant à la fois des propriétés opposées. Pour Hegel, pas d’espace sans matière, pas de temps sans disparition/destruction/négation, pas de mouvement sans contradiction, pas de matière sans mouvement et sans changement, pas de repos sans mouvement. Le mouvement et le changement sont sans fin. Le repos n’est qu’apparence, équilibre des contraires.
3ème étape : Maxwell, Newton
Au contraire de Descartes, pour Newton, le vide n’est pas un milieu physique. Le vide n’est rien : les forces s’y propagent instantanément et à distance. Pour Newton, la matière se déplace dans un espace vide et la lumière est de type particulaire comme la matière. Le vide serait, selon lui, un espace fixe indéformable porteur d’une métrique et d’un temps absolus. Tous les phénomènes semblent devoir se ramener à des mouvements mécaniques. Newton : « Les projectiles n’éprouvent ici-bas d’autre résistance que celle de l’air, et dans le vide de M. Boyle la résistance cesse, en sorte qu’une plume et de l’or y tombent avec une égale vitesse. Il en est de même des espaces célestes au-dessus de l’atmosphère de la terre, lesquels sont vides d’air. » Maxwell montre que lumière, électricité, magnétisme et radiation sont de même type : propagation dans le vide d’une onde qui transforme de manière ondulatoire les propriétés de l’espace vide, avec des phénomènes associés comme l’interférence des ondes. Le vide n’est donc pas un rien. Il s’y propage des ondulations....
4ème étape : Lorentz, Poincaré, Planck, Einstein, De Broglie
L’éther fixe (milieu qui emplirait le vide et dont les transformations et le mouvement porteraient la lumière) est remis en question (expérience de Michelson et Morley) et c’est la vitesse de la lumière dans le vide qui devient un absolu. La relativité introduite par Lorentz, Poincaré et Einstein nous apprend que la présence de matière transforme l’espace-temps du vide. En particulier, le temps s’écoule plus vite près des masses. Et, dans un mouvement accéléré, les longueurs changent. Longueurs et temps sont donc relatifs à l’observateur. Cependant, Lorentz montre qu’il existe une quantité qui relie espace et temps et se conserve : la « distance » en termes d’espace-temps entre deux événements. Il n’y a même pas de caractère absolu de la propriété de simultanéité des événements. Après que la relativité (restreinte) ait remis en question l’existence d’un vide plein, d’un éther, la relativité (générale) reconstruit un vide (l’espace-temps einsteinien) qui est porteur de transformations géométriques construisant la gravitation. Les particules y apparaissent comme des singularités du vide. Même si Einstein est surtout connu pour avoir détruit l’idée d’éther, un milieu physique du vide, notamment à cause de la vitesse constante de la lumière dans le vide qui ferait qu’un mouvement mécanique de ce milieu serait imperceptible, il a également pensé possible de concevoir le vide comme un milieu réel :
« L’éther pourrait être une réalité physique aussi bonne que la matière. »
Einstein dans « Sur l’éther » (1924)
Albert Einstein explique dans « L’évolution des idées en physique » : « Il fallait une imagination scientifique hardie pour réaliser pleinement que ce n’est pas le comportement des corps qui compte, mais le comportement de quelque chose qui se trouve entre eux (..) qui est essentiel pour comprendre et ordonner les événements. »
La dualité onde/particule, mise en évidence par Planck, Einstein et De Broglie, montre que particule de matière, radiation électromagnétique et espace sont de même nature : des quanta d’action. Toute particule a un espace (onde) associé et toute onde (modification de l’espace) correspond à un corpuscule.
5ème étape : Bohr, Heisenberg, Pauli
La mécanique quantique, première version (sauts quantiques, quanta de matière et de lumière, onde de probabilité de présence, perte d’individualité des particules, principe d’incertitude), montre que la matière ne peut être perçue comme des objets se déplaçant dans un vide indifférent. Des systèmes séparés de grandes distances peuvent interagir. Jean-Marc Lévy-Leblond résume ainsi les changements considérables de la nouvelle physique dans « La quantique à grande échelle », article de l’ouvrage collectif « Le monde quantique » : « Stabilité de la matière - « La théorie quantique eut parmi ses premiers objectifs de comprendre la stabilité des édifices atomiques. En effet, un « électron classique » (non-quantique) pourrait orbiter à une distance arbitraire d’un « noyau classique ». Rayonnant de l’énergie électromagnétique, il pourrait se rapprocher indéfiniment du noyau, perdant dans cette chute une quantité d’énergie … infinie ! La théorie quantique, en corrélant l’extension spatiale d’un électron à son énergie cinétique (inégalités d’Heisenberg), interdit une telle catastrophe et assure l’existence d’atomes stables, dont l’énergie ne peut descendre en dessous d’un certain plancher absolu (niveau fondamental). Mais Pauli fit remarquer, dès les années 1925, que cette stabilité individuelle des atomes, si elle est nécessaire, ne suffit en rien à assurer la stabilité de la matière. (…) Si le principe de Pauli n’intervenait pas pour tenir les électrons à distance mutuelle, la matière serait incomparablement plus concentrée, d’autant plus que la quantité en serait plus grande. (…) Ajoutons enfin que le rôle du principe de Pauli ne se borne pas à assurer l’existence de la matière, mais conditionne toutes ses propriétés électroniques détaillées, en particulier la conductivité ou la semi-conductivité des matériaux qu’utilise la technologie électronique. » Le principe d’incertitude entraîne qu’il n’y a pas de niveau inférieur d’énergie qui soit fixe. On découvre les fluctuations du niveau zéro d’énergie. Le vide fourmille en permanence d’une activité éruptive. La physique quantique a des conséquences inattendues en ce qui concerne le vide comme l’expose Franco Selleri dans « Le grand débat de la théorie quantique » : « Les neutrons sont des particules instables et finissent par se désintégrer en proton + électron + antineutrino au bout d’un temps correspondant à leur vie moyenne. Celle-ci est d’environ mille secondes (...) des neutrinos peuvent vivre beaucoup moins (disons cent secondes) ou beaucoup plus (disons trois mille secondes) que leur vie moyenne de trois mille secondes. Le problème se pose très naturellement de comprendre les causes qui déterminent les différentes vies individuelles dans les différents systèmes instables. (…) (ces variations peuvent s’expliquer) par des fluctuations du vide dans de petites régions entourant la particule ». On ne dispose par contre d’aucune description de l’objet neutron ou de l’objet particule qui explique ces vies de durées diverses et cette durée moyenne. Mais nous verrons que la physique quantique va plus loin et remet carrément en question que la particule soit un objet individuel : « En théorie quantique, tous les concepts classiques, une fois appliqués à l’atome, sont aussi bien ou aussi mal définis que « la « température de l’atome. (...) Le concept d’existence de l’électron dans l’espace et le temps conduit à un paradoxe. » D’où la nécessité de définir la particule comme une structure émergente issue des interactions du vide et non comme une chose préexistante et fixe. « Dans cette théorie, par conséquent, il n’y a pas de particule qui garde toujours son identité (...) Le mouvement est ainsi analysé en une série de re-créations et de destructions, dont le résultat total est le changement continu de la particule dans l’espace. » expose David Bohm dans « Observation et Interprétation ».
6ème étape : Dirac, Feynman, Higgs, Diner
Découverte de l’antimatière qui se comporte comme si le temps marchait à rebours. L’énergie du vide peut se transformer en matière et inversement : apparitions et disparitions de couples particules et antiparticules. Particules élémentaires durables et éphémères – le stable n’est pas plus fondamental. Le vide est un milieu diélectrique, supraconducteur, polarisable, dynamique et porteur d’énergie, de bruit, d’une topologie de l’espace, d’une mesure de la chiralité (spin) Le vide est instable et plein d’énergie de brève durée - manifestations du vide quantique, fluctuations – le vide n’est pas rien – Il contient des photons et des particules qui sont éphémères et sont appelés virtuels. Les particules subissent des transitions très rapides en permanence, transitions par lesquelles elles s’échangent avec les particules du vide et les photons du vide. Recomposition permanente entre matière et vide – l’apparente stabilité est fondée sur une interaction dynamique et ultra-agitée entre structures transitoires de la matière, de la lumière et du vide. Nouveauté fondamentale de la théorie quantique des champs : dans un état donné du champ, même parfaitement déterminé, le nombre de particules n’est pas toujours défini. C’est (entre autres) ce qui interdit d’employer systématiquement une description purement corpusculaire de la matière. Cela interdit aussi de considérer que le vide ne contient pas de particules. Il contient des particules virtuelles qui peuvent être actualisées par un apport d’énergie. Ces particules (et antiparticules) virtuelles se lient pour former des photons. Particules et antiparticules du vide sont virtuelles au sens où ils ont une durée de vie trop brève pour être mesurables par des expériences matière/lumière à notre échelle, par nos instruments en somme. Le vide est polarisé. Les fluctuations du niveau zéro d’énergie peuvent être interprétées comme des apparitions et disparitions de photons virtuels ou de couples particule/antiparticule virtuels. La présence de l’électron trouble l’activité du vide, et cette distorsion agit en retour sur l’électron lui-même. Tout ceci complique énormément la description quantique qui doit prendre en compte tous ces phénomènes. Or, la diversité infinie de ces interactions fantômes implique des quantités infinies d’énergie. L’exemple le plus simple est celui de deux particules, deux électrons par exemple, échangeant un photon. Entre son émission et sa réception, ce dernier interagit en chemin avec d’autres particules avant d’atteindre l’autre électron. Cela peut se traduire par la transformation du photon en une paire électron - positron (virtuels) ; les membres de cette nouvelle paire peuvent échanger à leur tour un autre photon virtuel ; puis s’annihiler en engendrant un nouveau photon, qui est cette fois absorbé par l’électron récepteur. Ce n’est qu’en 1949 que Julian Schwinger, Richard Feynman, Sin-Itiro Tomonaga et Freeman Dyson parviennent à résoudre ce problème des quantités infinies des diagrammes en boucle : ils le contournent en inventant une méthode de calcul ingénieuse appelée renormalisation. Elle introduit enfin les concepts quantiques de façon cohérente dans la théorie de Maxwell. Cette nouvelle théorie est appelée électrodynamique quantique. L’électrodynamique quantique est valable jusqu’à une certaine distance minimale qu’on choisit plus ou moins arbitrairement : l’addition des diagrammes de Feynman en boucle sur tous les points de l’espace-temps s’arrête alors à cette distance. On peut toujours descendre de niveau mais on ne peut jamais descendre dans l’infiniment petit, sous peine d’en tirer des infinis grands qui ne sont pas observés dans les expériences. La renormalisation n’est pas seulement une astuce de calcul : elle rapporte une propriété fondamentale : cette notion de distance minimale indispensable pour que les calculs ne rendent pas des résultats infinis entraîne une conséquence fondamentale : la discontinuité de l’univers. D’autre part, la discontinuité fait un autre pas en avant : la notion de trajectoire d’objets se déplaçant en continu est abandonnée : dans les diagrammes de Feynman, un électron peut être émis à un point donné de l’espace-temps et absorbé à un autre.
7ème étape : Wilson, Gell-mann, Cohen-Tannoudji, Hiley, Gunzig, Finkelstein
Brisure de symétrie et renormalisation donnent une nouvelle image de la formation de matière à partir du vide. Lorsque deux particules (par exemple, deux électrons) interagissent, elles peuvent le faire « simplement », en échangeant un seul photon. Mais ce photon peut lui-même se matérialiser puis de dématérialiser en chemin. Sur le schéma du bas, par exemple, il crée une paire électron-positron qui recrée ensuite le photon. Si l’on tient compte de cette aventure, la description de l’interaction des deux électrons de départ n’est plus la même. Cela n’est en fait que la « première correction ». En effet, il peut arriver au photon des histoires beaucoup plus compliquée qui représentent des corrections d’ordre 2,3,4… La physique quantique exige de tenir compte de l’infinité de ces corrections pour le moindre calcul. Cette difficulté considérable a conduit à incorporer à la physique quantique l’idée de renormalisation. Les échanges toujours plus emmêlés entre différents types de particules virtuelles tissent une sorte de réseau ; des particules fantômes entrent et sortent, apparaissent et disparaissent dans un enchevêtrement vibrant d’énergie. La séparation entre matière, lumière et vide est dépassée. La matière peut se transformer en énergie du vide et inversement. La séparation réel/virtuel est relative à l’observateur accéléré. Production d’un espace et d’un temps par le virtuel et le virtuel de virtuel. Pas d’indépendance des particules par rapport à l’espace-temps du vide – la matière est une propriété (et non un objet) qui naît du vide et s’y déplace d’une particule virtuelle à une autre (Higgs). Michel Spiro explique ce mécanisme dans son article pour « Les dossiers de La Recherche » de juillet 2006 : « La masse des particules ne serait pas une propriété intrinsèque des particules elles-mêmes : elle serait liée à la manière dont celles-ci interagissent avec la structure quantique du vide. » Le vide est un véritable milieu dynamique. Le vide a, implicitement, toutes les propriétés qu’une particule peut avoir : spin, polarisation dans le cas de la lumière, énergie, etc. Il a lui-même différents niveaux de structure. De nombreux effets s’avèrent interprétables par les fluctuations du vide polarisable : – effet Debye de dispersion des rayons X par les solides – effet Casimir – effet proton-proton ou effet Hillman – effet Ahoronov-Böhm – effet Unruh – effet Compton – principe de Pauli – stabilité de l’atome (l’électron ne tombe pas sur le noyau) – décalage des raies Lambshift par réfraction du vide – Radiation de type « corps noir » (thermodynamique du vide) Nottale explique dans « La complexité, vertiges et promesses » que les diverses échelles de la matière/vide coexistent et interagissent : « Un objet, comme l’électron, vu classiquement comme un simple point, devient compliqué vers les petites échelles : il émet des photons, les réabsorbe, ces photons deviennent eux-mêmes des paires électrons-positons, etc… »
L’histoire du vide au travers de l’expérimentation
Finalement, qu’est-ce que le vide et qu’est-ce que la matière, que sont leurs interactions ?
Rappelons d’abord que bien des hypothèses simples sur ce thème ont dû être abandonnées car elles ne correspondaient pas aux résultats des expériences.
La principale et la plus simple de ces hypothèses sans issue a été celle d’une matière constituée d’objets, formés d’une somme de particules élémentaires, se déplaçant dans un vide ne contenant aucune sorte de particules.
La matière n’est pas une simple somme de particules. L’élémentarité ne peut se concevoir en termes d’objets. Le vide contient des particules (dites « virtuelles ») se comportant différemment que les particules (dites « réelles ») ayant une masse au repos. Le vide ne se contente pas de s’opposer à la matière. Il contient aussi des particules. Même la particule dite élémentaire n’est pas une seule particule mais tout un nuage issu du vide et qui se déplace en même temps que la particule. C’est ce qui explique que la particule soit à la fois ponctuelle et se manifeste dans un espace de dimension non nulle. Cela explique également que des interférences aient lieu entre la particule et elle-même : ce sont des interférences entre les particules virtuelles du nuage.
Au sein de ce nuage, la particule qui possède une masse au repos n’est pas toujours la même. Au contraire, la propriété de masse saute sans cesse d’une particule (virtuelle) du nuage à une autre. La matière est une propriété émergente et non un objet fixe. Elle ne contente pas de s’opposer à la lumière et au vide. Elle est fondée sur les mêmes éléments qu’eux : des particules et antiparticules virtuelles.
Le vide est sans cesse le siège de transitions ultra-rapides qui permettent de dissocier les particules virtuelles associées par paires : particules et antiparticules virtuelles. Dans le vide, il y a autant d’antiparticules que de particules. Elles se séparent et se couplent sans cesse, constituant ainsi les oscillateurs de base du virtuel.
Les photons (appelés « lumière » ou radiation électromagnétique) sont constitués par le couplage d’une particule et d’une antiparticule virtuels qui, en échangeant sans cesse des interactions, sont couplés.
La masse de la particule « réelle » n’est rien d’autre que la rupture de symétrie de cet équilibre dynamique du vide. Séparation durable entre particule et antiparticule, elle privilégie pour un nombre infime de particules (par rapport au grand nombre de particules virtuelles) la propriété matière plutôt qu’antimatière.
La matière se couple avec les particules et antiparticules virtuelles du vide, en émettant des photons. La matière ne fait pas qu’émettre et recevoir des photons : après échange, la particule n’est plus la même et le photon n’est plus le même. La matière est électrisée comme le sont les particules et antiparticules virtuelles. En recevant ou en émettant un photon, la particule se couple avec l’un des éléments du couple particule/antiparticule du photon, celui qui est d’électricité opposée.
Les particules « réelles » ne relationnent pas par contact mais via des photons. Les particules virtuelles ne relationnent pas par contact mais via des photons virtuels qui sont constitués du couplage d’une particule et d’une antiparticule, qui sont appelés « virtuel de virtuel ».
La notion de « virtuel » fait appel à des seuils appelés inégalités d’Heisenberg. Quand on est en dessous de ces seuils, on est dans le virtuel. Ce qui est inférieur à un quanta h est du virtuel, c’est-à-dire un phénomène du vide quantique. Par exemple, le spin moitié de h (un demi quanta) de la particule électrisée, comme l’électron, est une manifestation du vide.
Le spin est une manifestation de l’interaction entre la particule réelle et son nuage virtuel : la rotation due au magnétisme des particules et antiparticules du nuage due à l’interaction entre particules électrisées. Ce n’est pas une simple rotation sur elle-même de la particule réelle. Les particules virtuelles comme les particules réelles tourbillonnent dans le vide du fait des interactions magnétiques entre particules chargées électriquement et les dipôles du vide.
Le vide loin de la matière ne se comporte pas comme l’espace autour de la matière en termes de temps et d’espace. Dans le vide ont lieu des sauts de temps et d’espace. La discontinuité fondamentale se manifeste également pour l’espace-temps. Et la flèche du temps n’existe pas. Le temps du vide existe mais il est désordonné : il fait des petits sauts, aussi bien vers le passé que vers le futur. Il n’est ordonné que par la présence d’une grande quantité de matière qui interagissent et constituent un temps régional cohérent.
Le temps ordonné est donc un effet collectif de la matière. C’est un phénomène émergent. Le temps est modifié par la présence de matière. La relation quantique qui expose qu’une transformation « réelle » ne peut se produire que par un échange d’une nombre entier de quanta – quantité qui est une action c’est-à-dire une énergie fois un temps (E fois t égale un quanta ou un nombre entier de quanta) signifie que gagner de l’énergie consiste à perdre du temps.
Les « horloges » et les « règles » du vide, mesures du temps et de l’espace, sont les photons « réels » et les photons « virtuels ». L’éloignement puis le rapprochement du couple particule/antiparticule du photon en est la mesure. L’interaction entre particules via les photons met les particules (virtuelles comme réelles) à la même aune d’espace-temps.
C’est de ce monde du vide que proviennent les phénomènes fondamentaux des interactions de la matière et du vide, telle qu’elle est décrite par les schémas de Feynman qui expliquent les apparitions et disparitions de couples particules/antiparticules dans le vide.
Atome : rétroaction de la matière/lumière et du vide (de la microphysique à l’astrophysique)
* 01- Les contradictions des quanta
* 02- La matière, émergence de structure au sein du vide
* 03- Matière et lumière dans le vide
* 05- Le vide destructeur/constructeur de la matière
* 06- La matière/lumière/vide : dialectique du positif et du négatif
* 07- La construction de l’espace-temps par la matière/lumière
* 08- Lumière et matière, des lois issues du vide
* 09- Matière noire, énergie noire : le chaînon manquant ?
* 10- Les bulles de vide et la matière
* 11- Où en est l’unification quantique/relativité
* 13- Qu’est-ce que la rupture spontanée de symétrie ?
* 14- De l’astrophysique à la microphysique, ou la rétroaction d’échelle
* 15- Qu’est-ce que la gravitation ?
* 16- Big Bang ou pas Big Bang ?
* 17- Qu’est-ce que la relativité d’Einstein ?
* 19- Qu’est-ce que l’antimatière ?
* 21- Qu’est-ce que le spin d’une particule ?
* 22- Qu’est-ce que l’irréversibilité ?
* 23- Qu’est-ce que la dualité onde-corpuscule
* 24- Qu’est-ce que la physique quantique ?
* 26- Le quanta ou la mort programmée du continu en physique
* 26- La discontinuité de la lumière
* 27- Qu’est-ce que la vitesse de la lumière c et est-elle indépassable ?
* 28- Les discontinuités révolutionnaires de la matière
* 29- Révolutionnaire, la matière ?
* 30- Qu’est-ce qu’un système dynamique ?
* 31- Qu’est-ce qu’une transition de phase ?
* 32- Quelques notions de physique moderne
* 33- Qu’est-ce que le temps ?
* 34- Henri Poincaré et le temps
* 35- La physique de l’état granulaire
* 36- Aujourd’hui, qu’est-ce que la matière ?
* 37- Qu’est-ce que la rupture de symétrie (ou brisure spontanée de symétrie) ?
* 38- Des structures émergentes au lieu d’objets fixes
* 39- Structure de la matière et du vide
pourquoi introduire les photons ?
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